一种应用于UHF频段RFID的多缝隙耦合同时同频全双工天线

摘要

本发明公开一种应用于UHF频段RFID的多缝隙耦合同时同频全双工天线，包括介质基板、辐射贴片和馈电网络，所述介质基板由上基板和下基板组成，上基板和下基板之间为空气介质层，所述上基板的下表面和下基板的上表面均设置有正方形的辐射贴片，所述下基板的辐射贴片上呈辐射状开有若干个矩形开槽结构；所述下基板的下表面设有双圆环结构的馈电网络，采用微带线馈电方式，馈电网络的内环开口引出有两条微带线至输入端口和输出端口，并在输入端口和输出端口上分别设有一个矩形贴片结构以实现阻抗匹配，输入端口和输出端口之间还设置有U型微带结构。

说明书

技术领域

本发明涉及全双工天线领域，特别是涉及一种应用于UHF频段RFID的多缝隙耦合同时同频全双工天线。

背景技术

无线射频识别(RFID,Radio Frequency Identification)是一种自动识别技术，于上世纪90年代逐渐开始兴起。这种技术不需要物理接触的空间识别，而是靠搭载了信息的射频微波在交变磁场或电磁场中，耦合信号完成被识别物体的自动识别。天线的作用是在识别标签和读取器之间完成数据的交互工作，因此天线的结构设计和会影响到系统的识别能力，对通信操作顺利完成的准确性发挥着不可替代的作用。

然而，由于无线通信业务的髙速发展，可供研究使用的无线频谱资源越发紧张。在科研机构对无线通信资源的迫切需求和日益紧迫的微波无线频段资源之间的矛盾下，无线通信设备常用双工模式来实现无线电资源的节约。而在常见的双工模式中，主要采用频分双工(FDD，frequency division duplexing)和时分双工(TDD,time division duplexing)这两种半双工通信方式，系统能够实现同一时间点或同一种频率单一条件下进行收发工作。在市面大多数无线通信设备采用的半双工模式频分双工和时分双工有效提高频谱资源的基础下，能够将频谱利用率再提高一倍的完全同时同频全双工技术则成为更加有价值的研究热点，其中通过双极化的形式设计实现天线系统同时同频的收发工作是未来天线设计的趋势之一。因此，设计一种应用于RFID领域的完全同时同频全双工微带贴片天线，实现高效率的资源利用有着重要的研究价值。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种应用于UHF频段的多缝隙耦合同时同频全双工的全频带环状双圆极化天线。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种应用于UHF频段RFID的多缝隙耦合同时同频全双工天线，包括介质基板、辐射贴片和馈电网络，所述介质基板由上基板和下基板组成，上基板和下基板之间为空气介质层，所述上基板的下表面和下基板的上表面均设置有正方形的辐射贴片，所述下基板的辐射贴片上呈辐射状开有若干个矩形开槽结构；所述下基板的下表面设有双圆环结构的馈电网络，采用微带线馈电方式，馈电网络的内环开口引出有两条微带线至输入端口和输出端口，并在输入端口和输出端口上分别设有一个矩形贴片结构以实现阻抗匹配，输入端口和输出端口之间还设置有U型微带结构。

进一步的，位于所述上基板的辐射贴片的边长为100mm，位于所述下基板的辐射贴片的边长为130mm。

进一步的，所述矩形开槽结构为24个。

进一步的，所述输入端口和输出端口之间的输入阻抗为50Ω。

进一步的，所述上基板和下基板的相对介电常数均为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为1.6mm。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本设计提出了一种应用于UHF频段RFID的多缝隙耦合同时同频全双工阅读器天线，该天线中心频率为915MHZ,在中心频率边界的回波损耗分别为-20dB和-22dB。相比于ISM规定的以915MHz为中心频率的26MHz带宽，该天线的相对带宽可以达到接近超宽带的程度。该天线尺寸小、结构简单、易于制作，这样的天线在应用到RFID系统中时，具有非常好的容错率，可以接收到更完整的信号波形。是最近电磁领域、RFID领域研究的热点，有良好的发展前景。

附图说明

图1a和图1b分别是本发明的正视和侧视结构示意图。

图2为本发明天线馈电网络取不同环间距的性能表现。

图3是本发明天线输入和输出两个端口的回波损耗。

图4为天线两个端口之间的隔离度特性示意图。

图5为本发明天线在中心频率918MHz频率处的辐射方向图仿真结果。

附图标记：1-上基板，2-下基板，3-矩形缝隙，4-馈电网络，5-矩形贴片，6-U型微带结构

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明天线包括：两块介质基板(聚四氟乙烯玻璃纤维)，正方形辐射贴片，微带贴片馈电网络，带有开口谐振环开槽的辐射贴片。天线形状如图1a和图1b所示。

天线采用上基板1和下基板2组成的两层介质基板结构，两板间为空气介质层，空气的低介电常数特性有利于拓宽天线的频带，改善天线的辐射性能。上基板1的下表面结构为边长100mm的正方形辐射微带贴片。下基板2的上表面结构为边长130mm的正方形辐射微带贴片，贴片上开有24个矩形缝隙3组成的多缝隙结构。下基板2的下表面是双圆环结构的贴片形成的馈电网络4。天线采用微带线馈电方式，内环开口引出两条微带线至输入输出两端口，并在输入、输出端口处各增加一个矩形贴片结构作阻抗匹配，两端口的输入阻抗为50Ω。为了实现全双工天线的高隔离度，在两端口间增加有U型微带结构6。FR4介质基板的相对介电常数均为4.4，损耗角正切为0.02，基板厚度为1.6mm。上、下基板的辐射贴片与馈电网络是在介质基板上印刷导电铜墨水。

上基板的下表面为正方形微带辐射贴片，下基板的上表面为带有多矩形开槽的正方形接地面微带贴片，即窄矩形开槽结构，下基板的下表面为双环结构微带辐射贴片，连接馈线至两端口，两介质基底材料为聚四氟乙烯玻璃纤维。

带有窄矩形开槽结构的正方形接地面微带贴片在下基板的上表面，均匀开出24条矩形缝隙，并且相邻两个缝隙之间的夹角是15°，当下表面的微带线有电磁信号传输时，会形成相位规律变化的线极化馈电源，通过缝隙耦合后对上基板的矩形辐射贴片进行缝隙耦合馈电，从而可以辐射出圆极化电磁波，采用缝隙耦合馈电可以使天线具有低剖面结构特性，这样方便和微波电路进行连接，也便于实现辐射圆极化电磁波等。

下基板下表面的馈电网络，形状是一个开口的圆环连接两条传输线路，当A端口进行馈电时，天线表现为右旋圆极化天线，当B端口馈电时，天线表现为左旋圆极化天线，圆心为地板缝隙开槽的几何中点，在开口处的两个馈电线路之间有个曲折的微带线，这个特殊的微带线结构相当于一个普通天线中的隔离电阻，目的是削减在两条传输线路之间产生的电磁耦合，防止本应该用于辐射信号的电磁波在两条并列微带线之间反复耦合然后相位抵消，从而在另一方面增强了天线A端口和B端口之间的隔离度。隔离微带线一方面可以改善天线本身的辐射效率，另一方面也能通过改变微带线的结构从而方便简洁地调整两个输入端口的耦合，相比于使用标称电阻将要面临的局限性，可以更好的起到改善端口隔离度的作用。在两个输入端口附近具有阻抗调节微带线，用于调节天线的输入阻抗。在圆环结构的开口处，本设计对切口进行了一个渐变的处理，可以改善天线的端口间隔离度。

本实施例中的天线经过优化设计后的具体的尺寸参数如表1所示，单位mm；每块介质基板厚度H＝1.6mm。天线的大小为130mm*130mm*14.2mm。馈电方式为微带线馈电，输入阻抗50Ω。

表1天线详细参数表

为了研究天线的辐射特性，运用全波三维电磁仿真，对天线在中心频率918MHz频率处进行仿真优化，得到天线在中心频率处的方向图，并对仿真结果进行了分析。图2为取不同环间距的性能表现。图3为所设计天线两个端口的回波损耗。图4为天线两个端口之间的隔离度。图5为天线在中心频率918MHz频率处的辐射方向图仿真结果。

环状双圆极化全双工天线具有一个较宽的工作频带，相比于ISM规定的以915MHz为中心频率的26MHz带宽，该天线的相对带宽可以达到接近超宽带的程度。这样的天线在应用到RFID系统中时，具有非常好的容错率，可以接收到更完整的信号波形。

由图2可以看出，随着双环结构之间的缝隙加大，天线的辐射带宽也随之拓宽。在k＝10mm时达到宽度最大值，且保证902MHz-928MHz的频段范围内，回波损耗都在-15dB以下。而当k值超出10mm，该天线将失去在该频段辐射信号的能力。可见使用10mm的环间缝隙可以在保证辐射能力的同时，享受信号辐射的最大带宽。

在图3中，由于天线本身具有端口对称的结构特性，所以S22曲线基本与S11曲线趋势相同，并且表现出同样的宽频带特性。这说明该环状双圆极化全双工天线可以同时进行信号的收发工作同时保持相当高的辐射能力。

图4展示了天线两个端口间的隔离度。环状双圆极化全双工天线在特定的频段表现出了非常好的隔离特性，隔离度最优处几乎达到了-45dB。这表明当天线同时进行收发工作时，两个端口相互间不会产生影响且能够顺利完成收发任务。

图5展示了天线在不同频率处的辐射性能。可以看出，环状双圆极化全双工天线在Z轴正向具有非常好的辐射能力，最大增益可以达到6.59dB，而且天线具有非常好的方向性。这种环状双圆极化全双工天线的优势是其具备非常良好的输入带宽，足以覆盖RFID在900MHz左右的带宽要求，同时也表现出了非常良好的辐射增益。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。